CC BY
21
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. № 16
УДК 621. 791.037
Коросташевский
П.В.*
ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕНДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ЛИСТОВЫХ ПОЛОТНИЩ ОБЕЧАЕК КОТЛОВ В КРУПНОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Проанализированы факторы, определяющие конструкцию и параметры котлов, размеры полотнищ обечаек более 50-ти железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров - цистерн. Установлены основные параметры стендов автоматической сварки листовых полотнищ обечаек котлов с учётом перспективных параметров котлов при использовании оборудования в крупносерийном производстве.
Перевозки нефтепродуктов и иных грузов в железнодорожных вагонах - цистернах и контейнерах - цистернах по магистралям стран СНГ носят массовый характер, что предопределяет крупносерийный и массовый характер производства этих транспортных средств на вагоностроительных заводах.
При крупносерийном производстве различных типов железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров - цистерн универсальность специального технологического оборудования для их изготовления, возможность его быстрой (в течение буквально нескольких часов) переналадки для изготовления новой модификации изделия является одним из основополагающих моментов успешной подготовки производства предприятия при переходе к выпуску новой продукции, его рентабельности и конкурентоспособности. При производстве вагонов - цистерн и контейнеров - цистерн в первую очередь это зависит от специального технологического оборудования для изготовления рам и котлов, так как остальные их элементы (вагонные тележки, хребтовые балки, системы тормозного оборудования и т.п.) практически одинаковы или имеют непринципиальные отличия, что позволяет изготавливать их на одном и том же оборудовании со сменой технологической оснастки. Наиболее сложным, металлоёмким и трудно переналаживаемым является оборудование для изготовления листовых полотнищ обечаек котлов, особенно стенды сварки полотнищ. Сложность проблемы заключается в том, что, в зависимости от многих факторов, определяющих диаметр котла той или иной модели цистерны, а также условий поставки металлопроката, изменяется ширина листов полотнища и, соответственно, расстояния между соединяемыми листы продольными сварными швами, что при одновременной сварке несколькими сварочными автоматами требует при смене изделия переустановки блоков и систем оборудования.
Вариант изготовления обечаек котлов из листовых полотнищ за более чем полувековой период производства железнодорожных вагонов - цистерн в ОАО "Азовмаш" получил преимущественное распространение: предприятие имеет три поточно - механизированные линии изготовления полотнищ. Этот вариант позволяет при равнопрочности котла использовать при его изготовлении, по сравнению с царговым вариантом, листы разной толщины, что снижает металлоёмкость обечайки и изделия в целом, улучшает качество сварки, уменьшает себестоимость изготовления железнодорожных вагонов - цистерн и улучшает их характеристики. Однако при этом оборудование линии и, в первую очередь, стендов автоматической сварки, выполнено для массового производства, что неприемлемо для сложившихся в настоящих условиях и являющихся перспективными крупносерийного и мелкосерийного производств.
Аналогичные линии и стенды используются в судостроении для изготовления плоских секций [1], однако, в силу индивидуального (или мелкосерийного) характера производства, сварка продольных швов полотнищ на них осуществляется поочередно, с переустановкой оборудования на каждый стык.
* ОАО «ГСКТИ», инженер
Целью данной работы является выбор и оптимизация основных параметров стендов автоматической сварки листовых полотнищ обечаек котлов железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров цистерн в крупносерийном производстве в зависимости от размеров листов.
Основными параметрами листов полотнищ, в определяющей степени влияющими на конструкцию оборудования стендов автоматической сварки, являются их основные геометрические размеры: ширина и длина. Материал листов и их толщина существенного влияния на конструкцию стендов сварки полотнищ не оказывают, так как в диапазоне толщин листов до 25 мм, применяемых для изготовления котлов железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров цистерн, практически применяется один и тот же способ сварки для однотипных материалов, а при смене материала листов переналадка сварочного и вспомогательного оборудования стендов производится быстро и без затруднений. Длина листов, из которых можно сваривать полотнища на конкретной линии, формирует параметры устанавливаемых в конце линии полотнищ вальцев и ширину всех стендов линии, в том числе, кантователя. С серьёзными сложностями приходится сталкиваться при транспортировке по линии в процессе их изготовления полотнищ значительно отличающихся по ширине (длине листов), особенно при транспортировке узких полотнищ (составленных из коротких листов) в зоне стенда сварки первой стороны (где устройства для предотвращения протекания сварочной ванны расположены поперёк потока), подаче и выдаче коротких полотнищ из кантователя. Это формирует специфические требования к конструкции устройств, транспортирующих полотнища. В случаях, когда ширина линии оказывается недостаточной, обечайки изготавливают из 2-х частей, выполняемых из полотнищ соответствующей ширины.
Формирование размеров листов, полотнищ и свариваемых из полотнищ обечаек при конструировании котлов железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров цистерн определяется параметрами котлов и технологическими возможностями поставщиков металлопроката. Параметры котлов при разработке конструкции вагона - цистерны формируются исходя из таких важнейших факторов, как осевая и погонная нагрузки, габариты и линейные размеры подвижного состава, грузоподъёмность, удельный вес (плотность) перевозимого продукта, масса тары, коэффициент тары, удельный объём [2].
Осевая нагрузка или допускаемая нагрузка на ось железнодорожного вагона (включая вес самой оси) - это давление от колесной пары на рельсы. Она зависит от конструкции и прочности верхнего строения железнодорожного пути, скорости движения поездов и грузоподъёмности вагонных тележек. В настоящее время допускаемая нагрузка на ось для грузовых вагонов на большинстве железнодорожных магистралей стран СНГ ограничена величиной 23,25 тонны, что при известном количестве осей вагона автоматически предопределяет его максимальный вес и максимальную грузоподъемность. В перспективе возможно увеличение осевой нагрузки до 25 тонн [3]. Погонная нагрузка фиксируется по статической нагрузке вагона, приходящейся на 1 метр пути (получаемой от деления массы брутто вагона на его длину по осям автосцепок). Для основных типов вагонов общемагистрального обращения допускаемая погонная нагрузка определяется прочностью железнодорожных мостов и устройством некоторых участков железнодорожного пути, величина её составляет 9 тонн/метр [3]. Погонная нагрузка влияет на длину вагона.
Габариты подвижного состава, устанавливаемые с регламентированным зазором по отношению к габаритам приближения строений в зоне железнодорожного пути, обеспечивая безопасный проход вагонов мимо путевых сооружений, станционных платформ, зданий и других устройств, а также мимо подвижного состава, расположенного на смежных путях, в тоже время жестко ограничивают габаритные размеры вагона. Габариты подвижного состава - это поперечные (перпендикулярные оси железнодорожного пути) очертания, в которых, не выходя наружу, должен помещаться установленный на прямом горизонтальном участке пути (при наиболее неблагоприятном положении в колее и отсутствии боковых наклонений на рессорах и динамических колебаний) как в порожнем, так и в нагруженном состоянии не только новый подвижной состав, но и подвижной состав, имеющий максимально нормируемые износы. При рас-
чёте габаритов вагона используют проектное очертание подвижного состава - поперечное (перпендикулярное оси железнодорожного пути) очертание, имеющее размеры, уменьшенные по сравнению с размерами строительного очертания на величину плюсовых допусков, внутри которого должны находиться все расположенные в рассматриваемом сечении элементы конструкций проектируемых вагонов - цистерн. Габариты подвижного состава для различных типов вагонов колеи 1520 (1524) мм определены ГОСТом 9238-83 [4]. В конечном итоге, проектное очертание создаваемого вагона определяет его габаритную ширину, а вагона - цистерны - максимальный диаметр котла. С учётом вышеизложенного, в настоящее время максимальный внутренний диаметр котлов изготавливаемых железнодорожных вагонов - цистерн составляет 3200 мм. Увеличиваться этот параметр, в силу сложившихся габаритов приближения строений (предопределяющих и ограничивающих габариты подвижного состава) и иных факторов, в перспективе не будет.
Удельный объём (отношение объёма котла к грузоподъёмности вагона - цистерны) и коэффициент тары (отношение массы тары вагона к его грузоподъёмности) являются производными характеристиками и определяют, прежде всего, технико-экономические показатели подвижного состава
В итоге, при конструировании вагона - цистерны разработчикам приходится решать комплексную инженерную задачу по созданию подвижного состава оптимальных параметров, сочетающего максимальную грузоподъёмность, максимальный объём, минимальную массу тары, минимальные габариты по длине при заданных габаритах по ширине вагона, максимальную осевую и погонную нагрузки, что в сочетании с возможностями поставщиков металлопроката и предопределяет материал и геометрические размеры листов полотнищ обечаек котлов, в том числе: длина вагона - длину листов, диаметр котла и его конструктивные особенности - ширину и количество листов в полотнище (рис.1).
Рис. 1 - Схема взаимодействия факторов, определяющих формирование размеров листов полотнищ железнодорожных вагонов-цистерн.
Параметры листов полотнищ обечаек котлов контейнеров - цистерн формируются, в первую очередь, геометрическими размерами и максимальной массой брутто контейнеров, определённых Правилами Морского Регистра судоходства [5]. В соответствии с регламентированной Правилами максимальной шириной контейнера, равной 2438 мм, диаметр котла контейнера -цистерны не может быть более 2400 мм.
Для обеспечения нормальной производительности оборудования в условиях крупносерийного производства на стенде автоматической сварки полотнищ при их изготовлении необходимо одновременно сваривать не менее двух стыков продольных сварных швов, то есть, работать одновременно не менее чем двумя сварочными автоматами. При одинаковой ширине
листов, формирующих расстояния между стыками сварных швов, сварочные автоматы устанавливаются на направляющих стационарных балок, а устройства для предотвращения протекания сварочной ванны (флюсовые подушки, подкладки) устанавливаются без возможности перемещения поперёк сварного шва, при этом расстояния по осям сварочных электродов и устройств для предотвращения протекания сварочной ванны совпадают со стыками сварных швов и 4-х стыковое полотнище сваривается с одной переустановкой (рис.2). При сварке полотнищ из листов разной ширины 4-х стыковое полотнище приходится варить с 2-мя или с 3-мя переустановками (в зависимости от того, совпадает ли ширина хотя бы одного из листов с расстоянием по осям сварочных электродов или нет - рис.3), что в два раза снижает производительность оборудования.
Рис.2 - Схема сварки 4-х стыкового полотнища из листов, формирующих расстояние между стыками сварных швов, одинаковой ширины: 1 - положение полотнища при сварке 2-х первых швов; 2 - положение полотнища после переустановки при сварке 2-х последующих швов; 3 - стык сварного шва; 4 - оси сварочных электродов и устройств для предотвращения протекания сварочной ванны; А - ширина свариваемых листов, формирующих расстояние между стыками сварных швов; В - ширина промежуточного листа; Ь - длина сварного шва.
Рис.3 - Схема сварки 4-х стыкового полотнища из листов, формирующих расстояние между сварными швами, разной ширины: 1 - положение при сварке 2-х первых швов; 2 и 3 - положения полотнища после 1-ой и 2-ой переустановки при сварке 3-го и 4-го швов; 4 - оси сварочных электродов и устройств для предотвращения протекания сварочной ванны; 5 - стык сварного шва; А, В и С - ширина свариваемых листов, формирующих расстояние между стыками сварных швов; Ь - длина сварного шва.
Анализ основных геометрических параметров листов и полотнищ обечаек 24-х котлов контейнеров - цистерн и порядка 30-ти вагонов - цистерн, разработанных ОАО "Азовмаш с учётом вышеизложенных факторов, показывает, что диапазон длин листов (длин прямолинейных сварных швов полотнищ) составляет от 4680 до 4990 мм у полотнищ котлов контейнеров -цистерн и от 7170 до 9845 мм у котлов вагонов - цистерн, а максимальная 2-х кратная длина листов полотнищ контейнеров - цистерн составляет 4990 х 2 = 9980 мм. С учётом длины выводных и промежуточных планок, максимальный размер полотнища по ширине (при изготовлении сдвоенной обечайки котла контейнера - цистерны максимальной длины) составляет 9980 + 3 х 80 = 10220 мм. При увеличении допускаемой осевой нагрузки до 25 тонн, длины листов обечаек котлов вагонов - цистерн увеличатся до 11000 мм, а с учётом длин выводных планок -до 11100 - 11200 мм. Для обеспечения сварки стыков листов полотнищ такой длины направ-
ляющие сварочных аппаратов стендов автоматической сварки полотнищ должны иметь соответствующую длину плюс длину свободного выхода аппарата из зоны сварки, предопределяемую его конструкцией, а активная (по длине) зона устройств для предотвращения протекания сварочной ванны должна быть не менее 11300 мм. Расстояние по осям сварочных электродов (и, соответственно, по осям устройств для предотвращения протекания сварочной ванны) при различных ширинах листов при сварке одновременно двумя сварочными автоматами должно быть в пределах от 1185 до 3148 мм, причём, из-за разнообразия используемой ширины листов, необходимо иметь возможность изменять его на любую величину. С учётом установочных перемещений это расстояние должно быть в пределах от 1100 до 3200 мм, то есть, плавно изменяться, при необходимости, почти в три раза.
Дальнейшее исследование в данном направлении и реализация выявленных параметров в конструкции стендов автоматической сварки листовых полотнищ позволит существенно увеличить производительность линий изготовления листовых полотнищ обечаек котлов вагонов -цистерн и контейнеров цистерн в крупносерийном производстве.
Выводы
1. Выявлено влияние факторов, предопределяющих размеры и конструкцию железнодорожных вагонов - цистерн и контейнеров - цистерн на основные параметры стендов автоматической сварки листовых полотнищ.
2. Рекомендовано, что при определении длины направляющих сварочных автоматов необходимо исходить из максимальной длины сварных швов равной 11200 мм, при этом длина активной зоны устройств для предотвращения протекания сварочной ванны должна быть не менее 11300 мм.
3. На основании вышеизложенного, для обеспечения одновременной сварки двумя сварочными автоматами сварных швов полотнищ различных обечаек котлов (из листов разной ширины), диапазон изменения расстояния по осям сварочных электродов двух сварочных автоматов и, соответственно, устройств для предотвращения протекания сварочной ванны, должен быть в пределах от 1100 до 3200 мм с плавной регулировкой.
Перечень ссылок
1. Николаев Г.А. Сварные конструкции. I Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров. -М.: Высшая школа, 1983,- С. 165-168.
2. Спиридонов Б.К. Конструкция и расчёт вагонов. I Б.К. Спиридонов, И.Ф. Пастухов. -М.: Машиностроение, 1980,- С. 6, 240 - 241.
3. Шадур Л.А. Вагоны. Конструкция, теория и расчёт. / Л.А. Шадур. - М.: Транспорт, 1980,-С. 33-39, 41-43.
4. ГОСТ 9238 - 83. Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм. - С. 2 - 3.
5. Российский Морской Регистр судоходства. Правила изготовления контейнеров. -Санкт - Петербург, 2002,- С. 17.
Статья поступила 21.02.2006
